CN111987477A - 一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，属于电磁波调控技术领域。该激励器包括极化转换层和频谱分布层，所述极化转换层和频谱分布层为尺寸相同的正八边形结构；通过调节极化转换层各单元的尺寸，调制线极化入射平面波产生电磁飞环所需的空间频谱分布，通过扭转宽带极化转换超表面单元以及改变椭圆金属贴片的方向，实现将入射的线极化平面波向满足电磁飞环极化方向的转换。本发明的电磁飞环激励器，能够实现将载有高斯信号的线极化平面波到电磁飞环脉冲的转换。

Description

一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器
技术领域
本发明属于电磁波调控技术领域，具体涉及一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器。
背景技术
电磁飞环(flying electromagnetic toroid,FET)是一种呈超环面拓扑结构的单周期自由空间脉冲，其具有独特的时空耦合特性及强烈的纵向场分量，这些特殊的电磁性质有益于FET脉冲应用到粒子加速、新型多极子激励和能量传输等前沿应用。而且，在与传播方向垂直的截面上电磁飞环具有特殊的空间极化分布和空间频谱分布。其空间极化和频谱分布的特殊要求对FET脉冲的激励造成了重大的技术阻碍与研究壁垒。因此，大多数有关FET的研究停留在理想场解的电磁性质研究阶段。
近年来，FET激励方法的研究引起了学者们的广泛关注，成为了电磁波调控领域的新兴热点问题。已有的FET激励方法大多可以分为两类，一类是在特定载波信号的基础上经由特殊设计的天线阵直接辐射出电磁飞环，实现导波到电磁飞环的直接激励。另一类激励方法是基于近几年兴起的超表面技术，其灵活的电磁波调控能力可以将入射的平面波间接转换为具有特殊极化分布和频谱分布的FET。两种方法都是以FET的自修复特性为基础。相比直接法的复杂天线结构，基于超表面的间接法具有易集成、易装配、质轻、低剖面等优点，而且无需设计特殊的馈电电路，无需多个馈源。同时，间接法可以发挥其灵活的电磁波调控特性，实现对于不同频谱不同波长的FET激励。但是，基于超表面的间接法也存在较大的技术阻碍。因为激励FET脉冲所需的多功能超表面设计必须同时具有类似于矢量方位角波束的极化转化能力，部分透射能力以及频率选择能力。2018年，文献“N.Papasimakis,T.Raybould,V.A.Fedotov,et al.“Pulse generation scheme for flyingelectromagnetic doughnuts,”Physical Review B,2018,97(20):201409.”基于具有环形分布微结构的超表面实现了平面波到FET的转换。但是，所用的激励脉冲具有特殊的空间极化分布，因此，上述文献仅通过超表面实现了FET所需的空间频谱分布。
从上述文献中可以看出，基于超表面的间接法激励FET具有很多突出的结构优势并且不受馈源分布和馈电电路限制。但是，应用超表面结构将线极化平面波转化为FET仍具有较大的挑战。因此需要一种多功能的复合超表面设计，可以调控线极化平面波同时实现特定空间极化分布和空间频谱分布。
发明内容
本发明提供一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，该超表面激励器低剖面、质量轻、易加工集成，并且可以对2-10GHz频带内的线极化平面波进行调控，实现电磁飞环所需的特定空间极化分布和空间频谱分布，进而激励出电磁飞环。
本发明采用的技术方案是：
一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，用于将线极化平面波转换为电磁飞环脉冲，该激励器包括极化转换层(polarization conversion layer,PCL)和频谱分布层(spectrum distribution layer,SDL)，所述极化转换层和频谱分布层为尺寸相同的正八边形结构，且所述极化转换层和频谱分布层之间设置有间隙。
所述频谱分布层为具有频率选择功能的部分反射表面(frequency-selectivepartially reflective surface,FSPRS)，所述部分反射表面分为八个尺寸相同的三角形区域，每个三角形区域内设置有二维周期排布的若干个尺寸相同的部分反射表面单元；所述部分反射表面单元包括介质基板A、设置于介质基板A上表面的方形金属贴片、设置于介质基板A下表面的十字形金属贴片。通过调节各部分反射表面单元的方形金属贴片的边长和十字形金属贴片的带线宽度，使得频谱分布层实现2-10GHz的工作频带可调、透过率可调，进而调制线极化入射平面波产生电磁飞环所需的空间频谱分布。
所述极化转换层为高透过率的宽带极化转换超表面(polarization conversionmetasurface,PCMS)，所述宽带极化转换超表面也分为八个尺寸相同的三角形区域，其中，选择底边与入射波极化方向平行的三角形区域仅设置无金属的三层介质基板，另外7个三角形区域内设置有沿切向二维周期排布的若干个尺寸相同的宽带极化转换超表面单元；所述宽带极化转换超表面单元包括从上至下依次设置且留有间距的介质基板B、介质基板C、介质基板D，所述介质基板B上表面和介质基板D下表面设置有相互垂直的光栅状金属贴片，所述介质基板C上表面设置有沿单元对角线摆放的椭圆金属贴片，同一三角形区域内所有椭圆金属贴片的方向一致。通过扭转宽带极化转换超表面单元以及改变椭圆金属贴片的方向，实现将入射的线极化平面波向满足电磁飞环极化方向的转换。
进一步地，所述极化转换层和频谱分布层之间的间隙，用于避免两层超表面之间的干扰和互耦，间隙内设置泡沫层。
进一步地，所述设置于介质基板B上表面的光栅状金属贴片垂直于所在三角形区域的底边，所述设置于介质基板D下表面的光栅状金属贴片平行于所在三角形区域的底边。因此，对任一极化转换层的超表面单元，B层上表面与D层下表面的光栅状金属贴片相互垂直。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种应用于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，其实现了将载有高斯信号的线极化平面波到TM型电磁飞环脉冲的转换。
(2)本发明提出了一种宽带极化转换超表面单元，其可以在2-10GHz的宽带内实现固定线极化到任意线极化的高效率转换。
(3)本发明提出了一种具有频率选择功能的部分反射表面单元，其可以通过调节结构参数在2-10GHz内实现任意中心频点和任意透过率的通带特性。
(4)本发明基于所提出的极化转换超表面单元和具有频率选择功能的部分反射表面单元，设计了多功能的复合超表面，可以满足TM型电磁飞环所需的特殊空间频谱分布和特殊空间极化分布。
(5)本发明提出的复合超表面电磁飞环激励器兼具低剖面，质轻，易加工，易共形和电磁损耗低等特点。
附图说明
图1为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器的结构示意图。
图2为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器SDL层上表面的结构示意图。
图3为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器SDL层下表面的结构示意图。
图4为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器PCL层上表面的结构示意图。
图5为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器PCL层下表面的结构示意图。
图6为图2虚线框中的局部放大图。
图7为图6中一个FSPRS单元结构的示意图。
图8为图6中一个FSPRS单元上表面示意图。
图9为图6中一个FSPRS单元下表面示意图。
图10为图4虚线框中的局部放大图。
图11为图10虚线框中PCMS单元立体图。
图12为图10虚线框中PCMS单元介质基板B上表面。
图13为图10虚线框中PCMS单元介质基板C上表面。
图14为图10虚线框中PCMS单元介质基板D下表面。
图15为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器在t＝5ns时刻的电场分布图。
图16为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器在t＝100ns时刻的电场分布图。
图17为本发明实施例复合超表面电磁飞环激励器在t＝200ns时刻的电场分布图。
附图标号说明：1为SDL层；2为PCL层；3为SDL层的局部区域；4为PCL层的局部区域；5为SDL单元；6为SDL单元的方形金属贴片；7为SDL单元的介质基板A；8为SDL单元的十字形金属贴片；9为PCL单元；10为介质基板B；11为介质基板C；12为介质基板D；13为介质基板B上表面的光栅状金属贴片；14为椭圆金属贴片；15为介质基板D下表面的光栅状金属贴片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。本实施例提供一种能够产生TM型电磁飞环的复合超表面激励器，该激励器的整体结构示意图如图1所示，包括极化转换层和频谱分布层、以及极化转换层和频谱分布层之间设置的间隙，间隙内设置介电常数为1.08的泡沫层作为支撑结构。极化转换层和频谱分布层都是边长为285.8mm的正八边形结构，且将极化转换层和频谱分布层分为8个三角形区域设置超表面单元结构。
频谱分布层：如图2、图3、图6所示，每个三角形区域内设置有二维周期排布的FSPRS单元；位于同一三角形区域内的FSPRS单元具有相同的空间扭转角，且相邻三角形区域的扭转角度相差45度，分别为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。
所有FSPRS单元的周期相同，都为20mm，FSPRS单元包括介质基板A、设置于介质基板上表面A的方形金属贴片、设置于介质基板A下表面的十字形金属贴片。电磁飞环的空间频谱分布为径向分布，在垂直于传播方向的截面内，不同径向位置上的频谱分布在不同的频段且具有不同的峰值透过率。从图6中可以看出各FSPRS单元上金属贴片的尺寸不一致，通过调节各部分反射表面单元的方形金属贴片的边长和十字形金属贴片的线宽，可以使频谱分布层实现2-10GHz内工作频带可调、透过率可调，进而调制线极化入射平面波产生电磁飞环所需的空间频谱分布。
每个FSPRS单元可以调节结构参数实现内任意频段任意通过率的通带特性。该单元设计具有极化不敏感特性，因此不同区域单元的排列方式不会影响单元的部分透过通带特性，也不会影响图4中SDL对平面波的极化调制。结合电磁飞环的空间频谱分布，连续的空间频谱要求划分为了频谱分布层上各点的通带幅度和通带频段要求。结合不同的通带要求，SDL上不同位置排列特定结构参数的部分反射表面单元，进而实现空间频谱分布的调制。
图4中，极化转换层上各单元紧凑排列，排列方式与频谱分布层相同。其中，虚线框4内超表面单元排布情况的放大图如图10所示。从图10中可以看出各三角形区域的超表面单元的椭圆形贴片具有不同方向并且其长轴与单元的对角线重合。图10中虚线框9内构成PCL的高透过率宽带极化转换超表面单元(polarization conversion metasurface,PCMS)，其立体结构图，顶层结构图，中间层结构图和底层结构图分别如图11，12，13和14所示。如图所示，每个宽带极化转换超表面单元由具有相同介电常数的三层介质基板组成，三层介质基板之间的间隙内设置有泡沫层作为支撑固定结构，介质基板B上表面、介质基板D下表面设置有相互垂直的光栅状贴片。每个PCMS单元可以通过自旋扭转实现固定线极化在2-10GHz宽带内向不同线极化的高线率转化。结合每个极化转换超表面单元在极化转换层中的位置。8个区域内极化转换超表面单元发生的不同扭转可以令其在2-10GHz的宽带内将固定方向的线极化平面波转化为各位置所需的空间极化分布。其中0°线极化扭转的区域不需设计金属贴片结构，仅有三层介质基板。
基于电磁飞环的自修复特性，载有高斯脉冲的线极化平面波入射并依次通过极化转换层和频谱分布层一段距离后，会得到电磁飞环脉冲。图15、16和17分别是平面波入射后t＝0.03，0.33和1.00ns时刻的电场分布图仿真结果。从图中可以看出，线极化平面波通过所设计的复合超表面后，逐渐产生形状变化，最终形成了超环面拓扑结构的电磁飞环脉冲。说明所设计的复合超表面电磁飞环激励器的可行性与有效性。
总结起来，相较于以往的电磁飞环激励器，本实施例具有如下优点：无需使用特殊脉冲或特殊极化波输入，可直接将线极化平面波转化为TM型电磁飞环脉冲；低剖面，质量轻，易加工，易集成。

Claims (3)

1.一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，用于将线极化平面波转换为电磁飞环脉冲，该激励器包括极化转换层和频谱分布层，所述极化转换层和频谱分布层为尺寸相同的正八边形结构，且所述极化转换层和频谱分布层之间设置有间隙；
所述频谱分布层为具有频率选择功能的部分反射表面，所述部分反射表面分为八个尺寸相同的三角形区域，每个三角形区域内设置有二维周期排布的若干个尺寸相同的部分反射表面单元；所述部分反射表面单元包括介质基板A、设置于介质基板A上表面的方形金属贴片、设置于介质基板A下表面的十字形金属贴片；通过调节各部分反射表面单元的方形金属贴片的边长和十字形金属贴片的带线宽度，使线极化入射平面波产生电磁飞环所需的空间频谱分布；
所述极化转换层为高透过率的宽带极化转换超表面，所述宽带极化转换超表面也分为八个尺寸相同的三角形区域，其中，选择底边与入射波极化方向平行的三角形区域仅设置无金属的三层介质基板，另外7个三角形区域内设置有沿切向二维周期排布的若干个尺寸相同的宽带极化转换超表面单元；所述宽带极化转换超表面单元包括从上至下依次设置且留有间距的介质基板B、介质基板C、介质基板D，所述介质基板B上表面和介质基板D下表面设置有相互垂直的光栅状金属贴片，所述介质基板C上表面设置有沿单元对角线摆放的椭圆金属贴片，同一三角形区域内所有椭圆金属贴片的方向一致；通过扭转宽带极化转换超表面单元以及改变椭圆金属贴片的方向，将入射的线极化平面波转换为具有电磁飞环极化分布的电磁波。
2.如权利要求1所述的一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，其特征在于：所述极化转换层和频谱分布层之间的间隙内设置有泡沫层。
3.如权利要求1所述的一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，其特征在于：所述设置于介质基板B上表面的光栅状金属贴片垂直于所在三角形区域的底边。
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